實時追蹤鋰電池衰降 反溯提升電池性能設計

對清潔電力、運輸和便攜式設備而言，能量儲存是該范疇發展面對的最緊要的一個瓶頸。鋰電池是目前最具前景的能量儲存設備，通過電極間可逆的活性反應實現能量的儲存和釋放。

同時在電動車范疇也有著很大的發展，特斯拉ModelS100D電動車自2012年至今已從150公里的里程提升到至少500km。但是鋰電池價格依然很高(US$250每千瓦時)且效率受限(200-250瓦時每千克)。

電極的衰減則是另一個十分緊要的問題，而這亦是難以處理的。電化學過程中涉及的反應十分復雜且難以理解。緊要決定于電極材料的性質以及液相和固相電解質。

為了更好的知道電極衰退的原由，研究者們要找到新的方式來實時的追蹤電化學過程。顯微鏡和光譜對實現這一目的而言過于昂貴同時對技術人員的要求也很高。并且探測的環境遠不同于電池使用的環境，因此所得的結果不一定精確。

因此，研究電池電極的結構以及電化學反應要怎么樣變化并找到適宜的手段進行追蹤是十分緊要的。通過對電極變形以及反應歷程的研究，可以發展目前世界急需的有效且價廉的電池。

近日，武漢理工大學麥立強教授、華盛頓大學晏夢雨和哈佛大學趙云龍共同在Nature上發表題為“Trackbatteriesdegradinginrealtime”的評述，提出實時追蹤電池衰減的緊要性以及目前的發展狀況。并提出在處理這一課題中，實現政府、學術與工業合作的緊要性。

鋰電池就如同一個黑盒子，研究者們可以在材料充電放電過程中或是經過一系列循環后打開它以測試材料的狀態。但這就如同驚鴻一瞥般，對電池過程不能實現準確的分解。況且電池中電化學反應是十分迅速的，在空氣中許多化學成分會迅速變質衰減。因此打開電池監控狀況是不適用的。

經過多年的發展，對電池電極材料的研究方式也有著很大的沖破。研制帶有硅納米線電池設備可以測試電荷的傳輸以及電池運行中硅納米線結構的變化，從而反映電池狀態。另外，將電極材料拓寬到金屬氧化物、硫化物、氟化物及復合材料等，可利用X射線衍射、核磁共振、拉曼光譜及紅外光譜等對材料的不同形式進行測試從而研究電池狀態。

同時材料的電化學反應以及衰減機制也逐漸明朗，為了降低衰減速度，可以制備結構變形傾向小的電極材料或是預先就將鋰離子植入在電極材料中。

而這些方式也都有著很大的缺陷，難以實現瞬時實時的特點，得出的結果往往不夠精確，探測的條件與電池運行的狀態也大為不同，甚至一些測試手段在探測過程中對材料本身就有著破壞用途。

今朝，原位技術和納米材料的快速發展正為電池研究注入新血液。原位X射線和拉曼技術逐漸發展成為新的無損測試技術，提高對電池運行狀態的精確測試，而一系列基于納米材料的電極材料可以提高電極材料的使用性能，推進商業化使用范疇。

同時，實現不同單位的學術合作對課題的研究也十分緊要，不同思想與技術的互融與貫通可以實現互補。而與工業的有效結合亦十分緊要，工業范疇的工程師可以幫助處理技術問題，這可以降低成本，跨過技術妨礙并加快商業化。而這也是將來的發展的需求與方向，可以加快技術的研發并推進新一代電池的研究。

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